Trong các hệ thống đo lực công nghiệp như đo lực ép, kiểm soát lực lắp ráp, thử nghiệm cơ học hay đo va chạm, hai công nghệ cảm biến đo lực phổ biến nhất là strain gauge (cảm biến biến dạng) và piezoelectric (cảm biến áp điện). Bài viết này phân tích sự khác nhau về nguyên lý, đặc tính đo, ưu nhược điểm và ứng dụng phù hợp của hai loại cảm biến này.

Cảm biến biến dạng (Strain Gauge) là gì?

Cảm biến biến dạng (strain gauge) khai thác tính đàn hồi như lò xo của kim loại.

Khi lực tác động lên cảm biến, phần tử kim loại ở cảm biến sẽ giãn ra trong giới hạn đàn hồi và trở về trạng thái ban đầu khi lực được loại bỏ. Sự biến dạng này được các điện trở strain gauge ghi nhận và chuyển đổi thành tín hiệu điện.

Trong vùng đàn hồi, độ biến dạng tỷ lệ thuận với ứng suất (định luật Hooke), đây là phạm vi có thể sử dụng của cảm biến đo lực (vùng màu đỏ trong đồ thị).

Ưu điểm của cảm biến biến dạng:

• Độ ổn định cao: Khi một lực không đổi được tác động liên tục, tín hiệu đầu ra hầu như không dao động theo thời gian.
• Khả năng chống trôi tốt: Phù hợp cho đo lực tĩnh và đo lực duy trì lâu.
• Độ chính xác cao trong các phép đo lực chậm hoặc trung bình. Đáp ứng tốt cho đa số các ứng dụng đo lực trong công nghiệp.
• Dễ hiệu chuẩn, phù hợp các hệ thống đo cần truy xuất nguồn gốc.

Nhược điểm của cảm biến biến dạng

• Độ phản hồi kém hơn cảm biến áp điện khi đo các lực tức thời như lực va chạm hoặc xung lực rất ngắn.

Cảm biến áp điện (Piezoelectric) là gì?

Cảm biến áp điện (piezoelectric) sử dụng phần tử áp điện, có khả năng sinh ra điện tích khi chịu tác động cơ học.

• Khi chịu lực nén -> điện áp sinh ra lớn hơn
• Khi chịu lực kéo -> điện áp sinh ra nhỏ hơn

Ưu điểm của cảm biến áp điện

• Độ cứng cao, ít biến dạng cơ học
• Độ phản hồi rất nhanh, phù hợp cho ứng dụng đo lực động tốc độ cao

Nhược điểm của cảm biến áp điện

• Khả năng chống trôi kém: Ngay cả khi tải trọng không đổi, tín hiệu đầu ra vẫn thay đổi theo thời gian do hiện tượng rò điện tích.
• Không phù hợp đo lực tĩnh hoặc đo lực duy trì lâu.
• Không thích hợp cho:
  • Thử nghiệm liên tục
  • Đo chính xác đặc tính trễ (hysteresis) của các phần tử như lò xo, giảm chấn

So sánh nhanh cảm biến biến dạng (strain gauge) và cảm biến áp điện (piezoelectric)

Nên chọn loại cảm biến lực nào?

Cảm biến lực biến dạng (Strain Gauge)

• Phù hợp cho cả đo lực tĩnh và đo lực động
• Ứng dụng phổ biến:
  • Đo lực ép
  • Đo lực kéo
  • Kiểm soát lực trong lắp ráp và thử nghiệm

Cảm biến lực áp điện (Piezoelectric)

• Phù hợp cho đo lực động tốc độ cao
• Ứng dụng điển hình: đo lực va chạm, xung lực
• Không phù hợp cho đo lực tĩnh hoặc đo lực kéo dài.

Cảm biến lực từ Nhật Bản

Temas cung cấp nhiều dòng cảm biến lực strain gauge từ nhà sản xuất Unipulse (Nhật Bản) với các đặc điểm:

• Thiết kế nhỏ gọn
• Độ cứng cao, khả năng phản hồi nhanh
• Độ chính xác lặp lại cao, phù hợp cho các hệ thống đo lực chính xác trong môi trường công nghiệp.

Cảm biến lực siêu nhỏ gọn UST

• UST là loại cảm biến lực siêu nhỏ gọn với chiều cao chỉ 2,3 mm và đường kính φ10 mm.
• Rất thuận tiện để lắp thêm vào các máy móc hiện có.
• Lý tưởng để đo phân bố lực khi sử dụng nhiều cảm biến cùng lúc.

Cảm biến lực dạng vòng mỏng UWP

• UWP là cảm biến lực dạng vòng mỏng với chiều cao chỉ 8 mm.
• Thiết kế thuận tiện khi sử dụng chốt định vị hoặc đi dây qua phần trung tâm của cảm biến.
• Lý tưởng để đo lực dọc trục của vít và lực siết chặt. 

Cảm biến lực độ cứng cao SCB

• Có độ cứng vượt trội và khả năng phản hồi cực nhanh
• Dải lực đa dạng từ 100 N đến 200 kN
• Độ phản hồi cao với tần số dao động riêng lên đến 40 kHz
• Khả năng chịu quá tải lên đến 500%
• SCB không chỉ lý tưởng cho các phép đo lực ép mà còn phù hợp với các thử nghiệm va chạm và phá hủy.

Temas là nhà phân phối chính hãng UNIPULSE tại Việt Nam, chuyên cung cấp các giải pháp đo lực – khối lượng – mô men: load cell, bộ hiển thị, bộ cân, bộ chuyển đổi, … Xem thêm các sản phẩm UNIPULSE tại đây.